CN106282734B - 具有高热导率的低熔点相变储能合金、制备工艺及应用 - Google Patents

具有高热导率的低熔点相变储能合金、制备工艺及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高热导率的低熔点相变储能合金，由以下重量百分比的组份组成：锡Sn 13.5%~15.0%；铟In 7.5%~9.5%；铅Pb 23.7%~25.8%；镉Cd 7.8%~9.5%；铋Bi 40.0%~45.0%；铜Cu 0.2%~0.8%。本发明熔化温度在53到75度之间，符合当前很多民用快冷或保温容器的储能和加热需求；该相变合金的凝固和熔化相变过程中的潜热可以随着环境温度变化吸收或释放能量；本发明合金的液相热导率远高于传统的相变材料。本发明的合金可作为相变储能杯等产品的相变材料推广使用。铜粉作为低熔点相变储能合金的形核剂，促进合金的凝固，使得凝固与熔化相变热滞在较小的范围，有利于相变温度的精确控制。

Description

具有高热导率的低熔点相变储能合金、制备工艺及应用
技术领域
本发明涉及一种具有高热导率的低熔点相变储能合金、制备工艺及应用。属于容器相关的相变储能材料领域，尤其是一种兼具高储能密度和高热传导率的相变合金材料。
背景技术
新能源开发与节能环保是当今社会发展的重要议题，开发和利用环保的新能源技术是科学研究的重要关注方向。相变储能材料是环保新能源技术的研究热点之一，在一定的条件下，可以解决能量供求在时间和空间上不匹配矛盾，从而提高能源利用率。从原理上讲，相变储能材料可以在其物相变化过程中，从环境中吸收热(冷)量或向环境中放出热量，从而达到能量储存和释放及调节能量需求和供给失配的目的。
目前市场上主要使用的相变储能材料包括无机水合盐相变材料和有机储能材料。通过不同的配方调节其相变温度，可以应对不同的吸热/供热需求。但是，这两类传统的相变储能材料都有两个明显的缺点：1)热传导率过低。无机水合盐的热导率一般都低于1W/mK，而有机相变材料的热导率更是不高于0.3W/mK。过低的热导率将会显著的影响该相变储能材料的使用效率，对结构设计提出了更高的要求；2)单位体积能量密度过低。由于无机水合盐和有机相变材料的密度都比较低，单位体积的分子数量不高。单位体积的相变潜热值一般不超过200J/cm3，对于某些对于体积要求较高的场合，这些传统相变储能材料的使用受到较多的限制。
利用低熔点合金作为相变储能材料是最近的一个重要的研究方向，尤其是在IT制冷领域和一些尖端的工程器件方面。使用低熔点合金作为相变储能材料的优势在于其相对极高的高热导率和高单位体积相变潜热。下表是两种传统相变材料和低熔点金属作为储能材料的性能参数对比。
在民用产品领域，相变储能材料在水杯方面的设计和应用已经展开，市场上已经有多款该类产品的推广，比如55度杯。依米康等公司提出了使用镓基液态金属作为相变储能材料。但是他们并没有提出具体的配方，而且镓基液态合金本身价格较高，且在也液态下对几乎所有的金属都存在腐蚀作用，带来一定的安全隐患。开发符合相变储能水杯需求的具有合适相变温度、高储能密度和热导率，且价格低廉、安全环保的低熔点相变储能合金显得十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种具有高热导率的低熔点相变储能合金、制备工艺及应用。
本发明所采用的技术方案是：具有高热导率的低熔点相变储能合金，它由以下重量百分比的组份组成：
锡Sn 13.5％～15.0％；
铟In 7.5％～9.5％；
铅Pb 23.7％～25.8％；
镉Cd 7.8％～9.5％；
铋Bi 40.0％～45.0％；
铜Cu 0.2％～0.8％。
所述铜为粉体状态，其颗粒直径为20～2000纳米，优选直径为20～500纳米。
所述合金的熔化温度在53到75摄氏度之间，单位体积储能密度达到300-350J/cm3，热导率达到35-50W/mK。
具有高热导率的低熔点相变储能合金的制备工艺：按前述配比称取各组分，将称取所得锡、铟、铅、镉、铋放入真空感应熔炼炉，在隔绝空气条件下，加热使各金属熔化均匀成整体；熔炼完成后，降温至室温，然后从熔炼炉中取出熔炼获得的合金，并对其进行加热至80～100摄氏度，使其再次熔化；向再次熔化后的合金加入称取所得铜粉，搅拌均匀，直至合金冷却凝固。
所述隔绝空气的方式具体为：对真空感应熔炼炉进行抽真空处理使炉内压强低于5*10-3Pa，然后向真空感应熔炼炉内加入惰性气体作为保护气体，加压至0.5-0.8个大气压。
从熔炼炉中取出熔炼获得的合金，并对其进行加热至80～100摄氏度，其中加热方式为水浴加热或电阻丝加热。
一种采用前述制备工艺制得的具有高热导率的低熔点相变储能合金。
所述合金的熔化温度在53到75摄氏度之间，单位体积储能密度达到300-350J/cm3，热导率达到35-50W/mK。
一种前述具有高热导率的低熔点相变储能合金的应用，其特征在于：所述具有高热导率的低熔点相变储能合金用作相变储能杯的相变材料。
本发明的有益效果是：本发明获得合金材料，其熔化温度在53到75度之间，符合当前很多民用快冷或保温容器的储能和加热需求；该相变合金的凝固和熔化相变过程中的潜热达到50J/g以上，单位体积储能密度达到300J/cm3以上，可以随着环境温度变化吸收或释放能量；本发明合金的液相热导率达到35W/mK以上，远高于传统的相变材料。本发明的合金可作为相变储能杯等产品的相变材料推广使用。铜粉作为低熔点相变储能合金的形核剂，促进合金的凝固，使得凝固与熔化相变热滞在较小的范围，有利于相变温度的精确控制。
附图说明
图1是四组实施例的热分析数据图。
具体实施方式
本发明通过分析Sn-In的三元合金相图，并结合热力学设计加入Bi元素进一步调整合金的相变温度，加入Cd元素则可以改善合金的热导率，加入Pb元素用于调节合金的密度，使其与铜的密度接近。最后加入固态铜粉进一步提高合金的热导率，铜的热导率可以达到397W/mK，是最有性价比的导热材料，关键在于使铜粉均匀分布在合金基体，即使在液态下，铜粉能够保持悬浮状态均匀分布。铜粉作为低熔点合金的形核剂，促进合金的凝固，使得凝固与熔化相变热滞在较小的范围，有利于相变温度的精确控制。
实施例1
本实施例具有高热导率的低熔点相变储能合金的组分及配比(重量百分比)如下：
Sn，14.7％；
In，8.2％；
Pb，24.3％；
Cd，8.0％；
Bi，44.5％；
纳米铜粉体，颗粒平均尺寸约为80纳米，占整体重量比的0.3％。
首先将按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感应熔炼炉的熔炼坩埚，关闭炉门，对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强低于5*10-3Pa。然后向真空感应熔炼炉内加入氮气(或者氩气)作为保护气体，加压至0.5个大气压，开始通电熔炼。熔炼温度达到500度时，合金即可完全融化，立刻关闭加热电源。熔炼完毕后，降温至室温状态，然后从炉中取出熔炼获得的合金，该Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化温度为56度，室温下呈固态。随后将五元合金通过水浴加热至85度，使其再次熔化，加入预备好的铜粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒搅拌均匀，同时水浴自然冷却，直至合金冷却凝固，即可得到具有高热导率的低熔点相变储能合金。
所述具有高热导率的低熔点相变储能合金用作相变储能杯的相变材料。
实施例2
本实施例具有高热导率的低熔点相变储能合金的组分及配比(重量百分比)如下：
Sn，13.7％；
In，8.9％；
Pb，23.9％；
Cd，8.8％；
Bi，44.2％；
纳米铜粉体，颗粒平均尺寸约为80纳米，占整体重量比的0.5％。
首先将按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感应熔炼炉的熔炼坩埚，关闭炉门，对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强低于3.5*10-3Pa。然后向真空感应熔炼炉内加入氮气(或者氩气)作为保护气体，加压至0.6个大气压，开始通电熔炼。熔炼温度达到530度时，合金即可完全融化，立刻关闭加热电源。熔炼完毕后，降温至室温状态，然后从炉中取出熔炼获得的合金，该Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化温度为58度，室温下呈固态。随后将五元合金通过水浴加热至80度，使其再次熔化，加入预备好的铜粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒搅拌均匀，同时水浴自然冷却，直至合金冷却凝固，即可得到具有高热导率的低熔点相变储能合金。
所述具有高热导率的低熔点相变储能合金用作相变储能杯的相变材料。
实施例3
本实施例具有高热导率的低熔点相变储能合金的组分及配比(重量百分比)如下：
Sn，14.8％；
In，9.3％；
Pb，24.1％；
Cd，9.3％；
Bi，41.9％；
纳米铜粉体，颗粒平均尺寸约为120纳米，占整体重量比的0.6％。
首先将按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感应熔炼炉的熔炼坩埚，关闭炉门，对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强低于3.0*10-3Pa。然后向真空感应熔炼炉内加入氮气(或者氩气)作为保护气体，加压至0.5个大气压，开始通电熔炼。熔炼温度达到520度时，合金即可完全融化，立刻关闭加热电源。熔炼完毕后，降温至室温状态，然后从炉中取出熔炼获得的合金，该Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化温度为62.5度，室温下呈固态。随后将五元合金通过水浴加热至85度，使其再次熔化，加入预备好的铜粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒搅拌均匀，同时水浴自然冷却，直至合金冷却凝固，即可得到具有高热导率的低熔点相变储能合金。
所述具有高热导率的低熔点相变储能合金用作相变储能杯的相变材料。
实施例4
本实施例具有高热导率的低熔点相变储能合金的组分及配比(重量百分比)如下：
Sn，13.6％；
In，7.8％；
Pb，25.5％；
Cd，8.5％；
Bi，44.2％；
纳米铜粉体，颗粒平均尺寸约为80纳米，占整体重量比的0.4％。
首先将按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感应熔炼炉的熔炼坩埚，关闭炉门，对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强低于3.5*10-3Pa。然后向真空感应熔炼炉内加入氮气(或者氩气)作为保护气体，加压至0.5个大气压，开始通电熔炼。熔炼温度达到490度时，合金即可完全融化，立刻关闭加热电源。熔炼完毕后，降温至室温状态，然后从炉中取出熔炼获得的合金，该Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化温度为72.2度，室温下呈固态。随后将五元合金通过水浴加热至90度，使其再次熔化，加入预备好的铜粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒搅拌均匀，同时水浴自然冷却，直至合金冷却凝固，即可得到具有高热导率的低熔点相变储能合金。
所述具有高热导率的低熔点相变储能合金用作相变储能杯的相变材料。
对上述各实施例获得的合金各项性能参数进行测试，测得的数据见下表：
图1中自上而下依次为实施例4、3、2、1的热分析数据。
本发明合金的特点在于其熔化温度在53到75度之间；凝固和熔化相变过程中的潜热大，均达到50J/g以上，单位体积储能密度达到300J/cm3，随着环境温度变化吸收或释放能量；且热导率达到35W/mK以上；符合当前很多民用快冷或保温容器的储能和加热需求，可作为相变储能杯等产品的相变材料推广使用。

Claims (7)

1.一种具有高热导率的低熔点相变储能合金的制备工艺，其特征在于：按照锡13.5%-15.0%，铟7.5%-9.5%，铅23.7%-25.8%，镉7.8%-9.5%，铋40.0%-45.0%，铜0.2%-0.8%称取各组分，将称取所得锡、铟、铅、镉、铋放入真空感应熔炼炉，在隔绝空气条件下，加热使各金属熔化均匀成整体；熔炼完成后，降温至室温，然后从熔炼炉中取出熔炼获得的合金，并对其进行加热至80～100摄氏度，使其再次熔化；向再次熔化后的合金加入称取所得铜粉，搅拌均匀，直至合金冷却凝固。
2.根据权利要求1所述的低熔点相变储能合金的制备工艺，其特征在于，所述隔绝空气的方式具体为：对真空感应熔炼炉进行抽真空处理使炉内压强低于5*10-3Pa，然后向真空感应熔炼炉内加入惰性气体作为保护气体，加压至0.5-0.8个大气压。
3.根据权利要求1所述的低熔点相变储能合金的制备工艺，其特征在于：从熔炼炉中取出熔炼获得的合金，并对其进行加热至80～100摄氏度，其加热方式为水浴加热或电阻丝加热。
4.根据权利要求1所述的低熔点相变储能合金的制备工艺，其特征在于：所述铜为粉体状态，其颗粒直径为20～2000纳米。
5.根据权利要求1所述的低熔点相变储能合金的制备工艺，其特征在于：所述铜为粉体状态，其颗粒直径为20～500纳米。
6.一种采用权利要求1-5任意一项所述制备工艺制得的具有高热导率的低熔点相变储能合金。
7.根据权利要求6所述的低熔点相变储能合金，其特征在于：所述合金的熔化温度在53到75摄氏度之间，单位体积储能密度达到300-350J/cm3，热导率达到35-50W/mK。
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